DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA
GUÍA PRÁCTICA DE LABORATORIO HH-223
O RIFIC IFIC IO S Y BO BO Q UILL ILLA S
1.
INTRODUCCIÓN: Determinación experimental de los coeficientes de descarga Cd, de velocidad Cv y de resistencia de flujo, al salir el agua por una boquilla tronco – cónica convergente, bajo las c ond iciones d e no p ermitir ermitir el ingres ingreso o d e a ire ire a la a ltura de la c ontrac c ión d el cho rro líq líq uid uid o a la entrad entrad a de la boq uil uilla.
2.
FUNDAMENTO TEORICO: Las boquillas consisten en pequeños tubos de longitud no muy mayor a su diámetro, que tienen tienen forma c ilíndric ndric a, có nic nic a o c onoida l, que p rologa n una a be rtura tura en las pa red es de un d ep ósito, ósito, po r las c ua les se d eja esc esc urrir urrir la c orriente orriente líq líq uida . Boquilla larga se denomina a aquella de forma cilíndrica cuya longitud es suficientemente larga para el chorro líquido alcance adherir sus paredes y escurra a sección llena en la sa lida . El El mismo mismo c om p ortam iento hidráulico hidráulico se ob serva e n los orifi orific c ios d e p a red gruesa gruesa , tal c om o se se o b serva e n la sigui siguiente ente figura. figura.
Boq uilla uilla La rg a
Orificio Orificio d e Pa red Gruesa Gruesa
Los filetes exteriores del chorro que sale por la boquilla escurren aguas arriba por los c onto rnos d e las p ared es d el de p ósito. ósito. La La s trayec toria toria s de los fil filete s p a san rá p id a me nte d e la d irec c ión tang enc ial a la la p ared a una d irec c ión prác tic tic am ente normal a ella; ella; tienen tienen po r ello ello una c urva urva tura tura fuerte, pe ro no infi infinita, y un rad io d e c urvat urvat ura ura finito, finito, pues la la s fuerz fuerza s q ue PRACTICA 3 ORIFICIOS Y BOQUILLAS
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actúan sobre las moléculas de estos filetes no pueden producir una discontinuidad en su direc c ión y veloc ida d. Esto p rod uce una c ontrac c ión en el cho rro a la e ntrad a d e la boquilla.
Luego d e la co ntrac c ión suce de un a expa nsión pa ulatina de l c horro de bido a p érdida de carga y una recuperación de la presión. La experiencia revela que la longitud de la bo quilla d eb e ser, p or lo m eno s 3 vec es el diám etro p a ra q ue se llene el orific io.
Para e valuar la veloc ida d y desc arga se p roc ed e d e la siguiente ma nera:
La c a rga H p or enc ima d el orific io se m id e d esd e el ce ntro de la b oq uilla ha sta la supe rfic ie libre. Supo niendo q ue la c arga pe rma nec e c onsta nte p or ser la s d ime nsione s d el esta nq ue considerablemente mayores que las de la boquilla, la aplicación de la ecuación de Bernoulli entre e l punto 1 en la supe rfic ie libre y e l punto 3 a la salid a d e la b oq uilla , no c onsiderand o las p érdida s, ob tiene:
V 12 P 1 + + z 1 2g γ
V 32 P 3 = + 2g γ
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+
z 3 .......... .......... .................... .......... ..(1)
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que tom a nd o p resione s ma nom étric a s, y ree mp laza nd o va lores, resulta :
V 32 0 + 0 + H = + 0 + 0.......... .......... .......... .......... .......... .........( 2) 2g
o sea :
V 3
2gH .................... .......... .................... .......... ..........(3)
=
Pero esto es solo la velocidad teórica, ya que las pérdidas entre los dos puntos se han despreciado. La relac ión e ntre la velocida d rea l, de veloc ida d
C v
=
V r , y la ve loc ida d t eóric a V t , se d enom ina c oeficiente
C v , el c uál naturalmente tiene un valor meno r que la unida d.
V r .................... .......... .................... .......... .................... .....( 4) V t
Resultando:
V 3 r
=
C v 2gH .......... .................... .......... .................... .......... ....(5)
Cuando el diámetro D de la boquilla es mucho menor que carga H, puede considerarse que la velocida d es uniforme en la sec c ión a la salida de la bo quilla. En ta l ca so e l ca uda l de la bo quilla será igual al produc to d e la veloc ida d rea l en el eje p or el área d el chorro a la sa lid a . Cua nd o el área d el cho rro, A, es me nor que e l á rea d e la b oq uilla u orific io, Ao , se expresa su relación con esta última por medio de un coeficiente de contracción, Com o en este c aso el área de l c horro resulta
C 0
=
C 0
=
A A0 .
a la salida es igua l a la sec c ión de la bo quilla,
1 Por otra parte como se acostumbra reunir los coeficientes de velocidad y
co ntrac ción en uno solo llam ad o c oeficiente de ca udal o d e d esca rga ,
C d
=
C o C v . (en
este c a so), entonc es el ca ud al pue d e expresa rse p or:
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Q r
=
C d A 2gH = C o C v A 2gH = C v A 2gH ; po r ser C o = 1.......... .......... .(6)
Com o no ha y mod o seg uro d e c alcular las pé rdida s, c ab e me ncionar que los c oeficientes de
velocidad,
de
contracción
y
de
descarga
son
determinados
por
métodos
experimentales.
Pérdida d e c arga e n la bo quilla larga La aplicación de la ecuación de bernoulli considerando pérdidas de carga entre los p unto s 1 y 3 pue d e e xpresa rse p or:
V 32 V 32 .......... .......... .................... .......... .......... ..............(7) H = + K 2g 2g
Dond e K es el co eficiente d e p érdida s loc a les. Y d esp ejand o V 3 q u e d a :
V 3
=
1 1 + H
2gH .......... .......... .......... .................... .......... ..........(8)
De donde puede encontrarse una relación entre el coeficiente de pérdidas locales y el c oeficiente de velocida d al c omp arar ecua c iones (5) y (8), la c ual es: C v
=
1 1 + K
.................... .......... .......... .................... .......... ........( 9)
En la b oq uilla larga y en los orific ios en p ared g ruesa la pé rdida de c arga se d eb e a de má s de la c ontrac c ión a la fric c ión. Para c ad a uno d e estos efec tos po de mos de sc omp oner K en d os fac tores, K = K o + K 1 .
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